航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓力掃描閥并行校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建立

邢 威，程 昊，吳紅肖，劉業(yè)路，王舜禹，蔡 玨，韓友婷

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

1 壓力掃描閥原理及主要特性

壓力掃描閥是利用多通道的傳感器進(jìn)行多點(diǎn)壓力的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，并利用數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)采用多通道壓力模塊，由數(shù)字傳感器陣列壓力測(cè)試模塊（DSA）進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，不確定度達(dá)±0.05%FS，輸出為公制單位，利用溫度傳感器和補(bǔ)償軟件提高整個(gè)系統(tǒng)的不確定度，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖1所示為DSA模塊結(jié)構(gòu)圖。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)使用的壓力掃描閥，主要型號(hào)為DSA3217、DSA3218、DSA3207、DSA3016、DSA3017等，測(cè)量范圍為1～750 psi，測(cè)量不確定度為0.2%FS～0.05%FS（k=2）。DSA3200系列數(shù)字傳感器列陣壓力測(cè)試模塊，是由16個(gè)溫度補(bǔ)償式壓力壓阻傳感器、一個(gè)氣體校準(zhǔn)閥門(mén)、一個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器和裝在自我密閉模塊中的微處理器組成。

2 測(cè)量方法的改進(jìn)

壓力掃描閥的測(cè)量方法經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展演變，最初使用便攜式壓力校驗(yàn)儀對(duì)掃描閥單通道進(jìn)行抽檢，該方法不僅效率低，而且可靠性差，單通道抽檢不能保證其他通道是否滿足使用需要[1]。隨著對(duì)掃描閥多通道同時(shí)測(cè)量校準(zhǔn)方法的掌握，前期使用0.003 5%Rdg高精度氣體活塞壓力計(jì)對(duì)掃描閥進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)，操作比較繁復(fù)，測(cè)量單塊掃描閥耗時(shí)較長(zhǎng)，后期采用精度優(yōu)于0.01%FS的數(shù)字壓力控制器，利用控制器能快速持續(xù)輸出標(biāo)準(zhǔn)壓力的特性，對(duì)單塊掃描閥進(jìn)行半自動(dòng)校準(zhǔn)。

3 多塊壓力掃描閥全自動(dòng)并行校準(zhǔn)系統(tǒng)的建立

在成功實(shí)現(xiàn)用數(shù)字壓力控制器對(duì)單塊掃描閥半自動(dòng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，考慮到所購(gòu)置的掃描閥數(shù)量極速增加，并且發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)掃描閥的使用需求加大，留給實(shí)驗(yàn)室的檢定周期不斷縮短，為滿足科研生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)度，進(jìn)一步提升工作效率，對(duì)采集能力和算法進(jìn)行改進(jìn)，建立多塊壓力掃描閥全自動(dòng)并行校準(zhǔn)系統(tǒng)。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置及配套設(shè)備

標(biāo)準(zhǔn)裝置及配套設(shè)備如下頁(yè)表1所示，標(biāo)準(zhǔn)裝置模塊選擇如下頁(yè)表2所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)裝置及配套設(shè)備

表2 標(biāo)準(zhǔn)裝置模塊選擇

3.2 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

壓力掃描閥自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件是基于虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)，進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示。

3.2.2 用戶界面設(shè)計(jì)

利用開(kāi)發(fā)環(huán)境中構(gòu)建具有個(gè)性化的儀器系統(tǒng)面板，按校準(zhǔn)界面的引導(dǎo),完成校準(zhǔn)并顯示校準(zhǔn)結(jié)果。設(shè)計(jì)校準(zhǔn)界面從控件庫(kù)中選取所需的控件,并為它們?cè)O(shè)置合適的屬性和位置。通過(guò)界面上的一些控件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)、計(jì)算處理和分析等功能。

3.2.3 接口通訊

在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，壓力掃描閥在以太網(wǎng)上采用TCP/IP協(xié)議與PC通信，通過(guò)IP地址、端口號(hào)向PC發(fā)送數(shù)據(jù)并接收應(yīng)答數(shù)據(jù)，通過(guò)頭文件TCP.H中的TCP/IP函數(shù)向PC發(fā)送命令，發(fā)送程控命令控制標(biāo)準(zhǔn)壓力源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)壓力和控制數(shù)據(jù)采集器采集測(cè)量的信號(hào)。

3.2.4 模塊化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

壓力掃描閥自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，主要由檢定參數(shù)設(shè)置模塊、IP地址模塊、數(shù)采模塊、校準(zhǔn)模塊以及校準(zhǔn)結(jié)果的保存、顯示、打印等模塊組成。程序首先要設(shè)置檢定參數(shù)，然后采集掃描閥在不同壓力點(diǎn)的數(shù)字輸出信號(hào)，再根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算壓力掃描閥的測(cè)量誤差。模塊之間除必要的輸入輸出接口用于模塊之間的通訊外，能保證各模塊相對(duì)獨(dú)立性，有效確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、良好的維護(hù)性和移植性。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的功能，系統(tǒng)采用了以下流程設(shè)計(jì)。

3.2.4 施加載荷自判穩(wěn)功能

作為自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，必須具有對(duì)所加載荷進(jìn)行自判穩(wěn)識(shí)別功能。對(duì)壓力掃描閥施加標(biāo)準(zhǔn)壓力后，讀取高精度壓力控制器的狀態(tài)寄存器，并輔以一定的延時(shí)，循環(huán)判穩(wěn)3次以上，比較狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)差值是否小于設(shè)定判穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，從而確保自動(dòng)檢定校準(zhǔn)過(guò)程中采集到的是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)壓力。

3.3 并行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，采用SPC4000數(shù)字壓力控制器，工作量程為1～750 psid，其測(cè)量不確定度0.01%FS（k=2），在滿足校準(zhǔn)環(huán)境條件下，對(duì)4塊DSA3217壓力掃描閥進(jìn)行同步校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)測(cè)量框圖見(jiàn)圖3所示。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表單顯示，所有被校壓力掃描閥的校準(zhǔn)結(jié)果均符合精度要求。

3.4 數(shù)字壓力控制器并行校準(zhǔn)壓力掃描閥的不確定度分析

采用SPC4000型數(shù)字壓力控制器，對(duì)3217型壓力掃描閥進(jìn)行校準(zhǔn)示值誤差不確定度評(píng)定。

3.4.1 測(cè)量方法

根據(jù)JJG 875—2019《數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程》，采用直接測(cè)量法對(duì)壓力掃描閥進(jìn)行校準(zhǔn)，以0.01級(jí)SPC4000型數(shù)字壓力控制器作為標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)壓力掃描閥輸入壓力，讀取數(shù)字壓力校驗(yàn)儀顯示值。

3.4.2 數(shù)學(xué)模型

式中：Δp為壓力掃描閥各檢定點(diǎn)的示值誤差，p為被校壓力掃描閥各檢定點(diǎn)的示值，p標(biāo)為SPC4000數(shù)字壓力控制儀的標(biāo)準(zhǔn)壓力值。

3.4.3 不確定度的來(lái)源

1）被校壓力掃描閥示值重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2）SPC4000數(shù)字壓力控制儀允許誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3）被校壓力掃描閥的分辨力引起的不確定分量。

3.4.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

被校壓力掃描閥示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur1，對(duì)被較壓力掃描閥作全量程檢定發(fā)現(xiàn)在10通道80 psid點(diǎn)上變化最大，以此組數(shù)據(jù)為代表來(lái)估算其不確定度。如見(jiàn)表3所示。

表3 壓力掃描閥采樣值ps id

共重復(fù)5次正反行程，計(jì)n＝10，求得：平均值pˉ=79.963 09。用貝塞爾公式計(jì)算單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差S（p）及平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差S（pˉ）（服從t分布）為：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

PPC3數(shù)字壓力控制儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur2。由上級(jí)檢定部門(mén)出具的檢定證書(shū)得最大允許誤差±0.01%，則：

被校壓力掃描閥的分辨力引起的不確定分量ur3：

3.4.5 不確定度分量一覽表

不確定分量一覽表如表4所示。

表4 不確定度分量一覽表

3.4.6 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

因各分量彼此獨(dú)立，所以合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.4.7 擴(kuò)展不確定度

測(cè)量不確定度的置信概率為95%，取k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

4 結(jié)語(yǔ)

目前壓力掃描閥在我所發(fā)動(dòng)機(jī)試車現(xiàn)場(chǎng)有著廣泛密集的使用，其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響著科研生產(chǎn)。并行校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，其工作效率較第一代自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)提高了4～8倍，已連續(xù)多年直接在發(fā)動(dòng)機(jī)、燃機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，減少拆裝、運(yùn)輸?shù)确爆嵾^(guò)程，避免了因拆裝等因素對(duì)掃描閥使用壽命造成的損耗，值得其他工程應(yīng)用中推廣借鑒。隨著校準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)步成熟，輸出部分在控制方式上可進(jìn)行完善，完成程序化閉環(huán)，逐步建立與計(jì)量管理系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。